綜合物探技術(shù)在港口航道建設(shè)中的應(yīng)用

蘭天霞

（貴州順達水運規(guī)劃勘察設(shè)計院 貴州貴陽 550004）

綜合物探技術(shù)在港口航道建設(shè)中的應(yīng)用

蘭天霞

（貴州順達水運規(guī)劃勘察設(shè)計院 貴州貴陽 550004）

海洋物探技術(shù)是港口航道建設(shè)中最為主要的勘測方法，本文對常見的物探技術(shù)進行分析，并結(jié)合具體工程實例對綜合物探技術(shù)的具體應(yīng)用進行探析。

海洋物探；磁法勘探；側(cè)掃聲吶

1 引言

為了保證港口航道建設(shè)的順利實施，需要對施工范圍內(nèi)進行海上物探，從而調(diào)查海底地形、地層分界面等分布情況，為施工方案的制定提供依據(jù)。對于港口航道這類復(fù)雜工程勘測工作來說，單一的物探技術(shù)不能滿足其要求，需要根據(jù)工程實際情況選擇適宜的技術(shù)類型或者綜合應(yīng)用多種技術(shù)，保證勘測結(jié)果的準確和全面。目前常用的海洋物探技術(shù)有高精度磁法、水域淺層地震反射波法、旁側(cè)聲吶等。

2 常見海洋物探方法技術(shù)

2.1 高精度磁測

高精度磁測采用精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍大的質(zhì)子磁力儀，該儀器是利用氫質(zhì)子磁矩在地磁場中自由旋進的原理制成的高靈敏度弱磁測量裝置，是一種絕對觀測儀器，觀測某時刻觀測點的地磁場總強度T的大小，讀數(shù)分辨率0.1nT，可達精度1.0nT。在野外工作前，對儀器進行了噪聲、一致性測定和探頭高度實驗，結(jié)合工作區(qū)自然地理、交通條件等方面的綜合情況，采取規(guī)則網(wǎng)的方式進行野外磁測工作，網(wǎng)度為100m×20m。在異常地段，操作員對點位進行了加密。磁測工作的實測磁異常中往往包含有測量的偶然誤差和淺部不均勻體所引起的隨機干擾，是比較復(fù)雜的，在進行解釋之前，采用了RGIS2012軟件包，對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、ΔT化極、向上延拓、求導(dǎo)等處理。

2.2 地震反射波法

此方法是建立在水平界面假設(shè)的基礎(chǔ)上，將不同激震點、不同接收點上接收的來自同一反射點的地震反射信號，經(jīng)過適當?shù)恼r差校正后疊加起來，得到同一個反射點的疊加值。如圖1（a）所示，以M為中心分別在地面T1、T2、T3及T4點激發(fā)，在對應(yīng)的R1、R2、R3及R4點接收來自界面同一點（A）的反射波，把A稱為共反射點，把R1、R2、R3及R4點接收道的數(shù)據(jù)從原始共炮點地震記錄中抽出并組成的集合稱為CDP道集（圖1b）。水平反射層CDP道集的時距曲線為一條雙曲線，經(jīng)過正常時差 ΔT校正（動校正）后，將 CDP道集反射波時距曲線（T1、T2、T3、T4）校正到T＝T0的直線上，并通過疊加或累計產(chǎn)生一個單獨的記錄，動校正與疊加示意圖見圖1（C）。

圖1 CDP疊加示意圖

正常時差ΔT計算公式如下式：

式中：Δt為正常時差（S）；t0為法線反射時間（S）；V1為界面上部介質(zhì)速度（m/S）；h為反射界面深度（m）。

覆蓋次數(shù)取決于每次激震時接收點的數(shù)量和激震點間距，對于單邊激震而言，覆蓋次數(shù)n用下式確定：

式中：n為覆蓋次數(shù)；N為采集記錄地震道數(shù)；D為激發(fā)炮點每次移動幾個道距。

CDP疊加的直接效果是增強有效反射波信號的相對振幅，利用疊加的平均特性消除環(huán)境噪聲，通過疊加的時差特性壓制多次波等相干噪聲。與單道地震剖面對比，多次CDP覆蓋具有明顯優(yōu)勢：疊加后有效信號明顯得到加強，理論

上在保持完全同相疊加時，信噪比可提高槡n倍；對于時差較大的多次波和干擾波，疊加后具有明顯壓制作用；能通過反射波速度掃描建立二維速度模型，動校正效果更優(yōu)。

2.3 側(cè)掃聲吶

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)是當今水下目標探測的主要方式，是海底地形地貌探測的重要工具，是計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種高新技術(shù)的高度集成，是航道測繪領(lǐng)域最先進技術(shù)的集中體現(xiàn)。側(cè)掃聲吶技術(shù)在掃雷、反潛、海戰(zhàn)場環(huán)境建設(shè)、重要軍事訓(xùn)練區(qū)掃海測量等方面具有重要的價值。側(cè)掃聲吶系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，盡管不同型號側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在設(shè)計細節(jié)上有所差異，但其基本組成相同，大體上可分為側(cè)掃聲吶聲學(xué)系統(tǒng)、外圍輔助傳感器、數(shù)據(jù)實時采集處理系統(tǒng)和成果輸出系統(tǒng)，圖2給出側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的基本組成單元。

圖2 側(cè)掃聲納系統(tǒng)組成單元

換能器作為側(cè)掃聲吶聲學(xué)系統(tǒng)，是系統(tǒng)的核心部件，它是聲電轉(zhuǎn)換裝置。大多數(shù)側(cè)掃聲吶換能器采用壓電陶瓷結(jié)構(gòu)，當一個電壓加到發(fā)射換能器上時，引起其物理形態(tài)發(fā)生改變，將由發(fā)射機所產(chǎn)生的振蕩電場轉(zhuǎn)換成機械形變，這種形變傳送到水中，在水中產(chǎn)生振蕩壓力，即聲脈沖；同樣，接收換能器用來接收回聲信號，通過檢測聲壓力變化，將這種壓力變化轉(zhuǎn)換成電能。現(xiàn)代側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在換能器設(shè)計時采用收發(fā)合一的線列陣，使聲能在水平線以下范圍內(nèi)集中。

外圍輔助傳感器主要包括定位傳感器、姿態(tài)傳感器、聲剖和羅經(jīng)。定位傳感器采用GPS定位系統(tǒng)，主要用于測量時實時導(dǎo)航和定位，為側(cè)掃聲吶換能器提供位置信息；姿態(tài)傳感器主要負責(zé)換能器橫搖、縱搖和艏搖參數(shù)采集，實時反映換能器姿態(tài)變化，用于后續(xù)聲吶圖像改正；羅經(jīng)主要提供拖體航向，用于后續(xù)回波點歸位計算；聲速剖面儀用于獲取海水中聲速空間變化結(jié)構(gòu)，它直接影響回波點點位歸算精度。側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)波束形成，將接收到的回波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并反算、記錄其往返程時間。數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)主要指甲板實時處理單元，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，實時顯示海底聲吶圖像，便于操作者了解成果有效性，指導(dǎo)后續(xù)工作。

成果輸出系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)后處理及成果輸出。綜合各類外業(yè)數(shù)據(jù)，通過相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件對這些數(shù)據(jù)進行處理，最終獲得各有效波束在海底反射點在地理坐標系下坐標及反射強度，最終形成測量成果，輸出聲吶圖像。

3 實例探析綜合物探技術(shù)在港口航道建設(shè)中的應(yīng)用

3.1 技術(shù)概述

本工程要求震源有一定的穿透深度，分辨率高，激發(fā)間隔短，以保證較多的覆蓋次數(shù)，因此采用了氣動機械聲波水域高分辨率淺層地震勘探連續(xù)沖擊震源，該震源主頻在400～1000Hz，頻帶寬，余震衰減快，能量適中，脈沖特性好，激發(fā)時間間隔調(diào)整靈活（最小間隔1s），重量輕，方便攜帶，操作簡單。為實現(xiàn)高密度激發(fā)與高密度接收，本工程選用水域走航式多道地震反射波方法，即在GPS制導(dǎo)下地震數(shù)據(jù)采集與物探點定位隨著作業(yè)船行駛過程中同步、連續(xù)、動態(tài)進行，數(shù)據(jù)采集見示意圖（圖3）。導(dǎo)航定位儀器采用雙頻RTK GPS，RTK GPS接收機載波相位差分能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度。地震儀采用SWS－6地震勘探系統(tǒng)。

圖3 地震數(shù)據(jù)處理流程

3.2 數(shù)據(jù)處理

本工程主要數(shù)據(jù)處理流程為：①水域地震反射。多次波發(fā)育，本次利用預(yù)測反褶積與RaDon變換壓制或消除多次波；受水流、風(fēng)力及作業(yè)船馬力的影響，走航式地震反射波法各地震記錄炮間距各不相同，采用線元疊加即消除了航速不均的影響，又可增加反射波疊加次數(shù)，提高信噪比與橫向分辨率；②計算各地震道坐標、距離。航跡歸—地震道號與坐標對應(yīng)點輸入—計算各道坐標、各道坐標投影到隧洞軸線或設(shè)計線上—計算偏離軸線距離—插值計算每個CDP點的里程樁號、偏離距；③在地震反射時間剖面上標注CDP點號與設(shè)計測線距離的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合地質(zhì)資料綜合分析、判定異常并標注其位置。

3.3 成果解釋

水域地震反射波成果資料解釋工作主要是利用處理地震數(shù)據(jù)得到的各種地震反射時間剖面與速度等物性參數(shù)剖面，結(jié)合測區(qū)地質(zhì)資料（特別是測線附近的鉆孔資料及測井資料），通過對地震反射波組的走時、頻率、相位、強度及連續(xù)性等波形特征對比分析，把地震時間剖面轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃绕拭妫L制出地質(zhì)構(gòu)造圖，劃分巖土層之間的界面，探明斷層、風(fēng)化槽及孤石等不良地質(zhì)體的位置與分布形態(tài)。本工程疊加線元長度為1m，即CDP道間距為1m。下面就正常地層剖面與不良地質(zhì)體物探異常剖面分別舉例說明本次高精度水域地震反射勘探的探測效果。

3.3.1 正常地層解釋

綜合地質(zhì)資料推斷各波組分別對應(yīng)水底、淤泥層底、全風(fēng)化花崗巖頂和中微風(fēng)化花崗巖頂。在全風(fēng)化花崗巖頂和中微風(fēng)化花崗巖頂之間還存在斷斷續(xù)續(xù)的反射波同相軸，反應(yīng)不同風(fēng)化程度的巖層界面，由于成層性較差，本次勘探不做細分。各主要地層在地震反射時間剖面上顯示清晰直觀，分層準確度高，已被鉆探資料證實。

3.3.2 物探異常解釋

在該港口航道工程不同里程段共發(fā)現(xiàn)30多處繞射現(xiàn)象，繞射波的大小規(guī)模與能量強弱各不相同，綜合地質(zhì)資料推斷這些繞射弧由花崗巖球狀風(fēng)化核（簡稱孤石）引起。繞射波的幾何形態(tài)為雙曲線，雙曲線的頂點（繞射點）就是孤石的埋深。孤石繞射波具有以下特征：①同一埋深，孤石的幾何尺寸越大，繞射弧的曲率半徑越大，反之則越小；②同一尺寸的孤石，埋深越淺大，繞射弧的曲率半徑越大，反之則越小。繞射波在繞射點處能量最強，向兩側(cè)變?nèi)酰虎劾@射波振幅的強弱決定于孤石與周圍巖性的差異，差異大則振幅強，反之就弱；④接收點與繞射點的相對位置也影響繞射波的振幅大小，若接收點位于繞射點正上方則能量強，反之能量弱。孤石特征的典型剖面見圖4，在淤泥底面與中～微風(fēng)化花崗巖頂面之間的時間范圍內(nèi)，在 CDP 點號 1 280、1390、1 450、1 470、1 520、1 610、1 690、1 730及1 775點號附近存在明顯的不連續(xù)繞射弧（圖中紫色線所指），規(guī)模大小與埋深不一，推斷強繞射弧為孤石或孤石群，弱繞射弧為全風(fēng)化花崗巖中的強風(fēng)化核。這種形態(tài)特征在軌道交通1、2號線跨海段分布較少。

圖4 孤石反射時間剖面

另外，斷層的解釋是反射地震資料解釋的難點與重點，根據(jù)有關(guān)文獻與類似工程經(jīng)驗，在時間剖面上斷層位置地震反射波具有以下形態(tài)特征：①反射波同相軸或波組出現(xiàn)錯斷現(xiàn)象，而斷層兩側(cè)波組關(guān)系相對穩(wěn)定；②反射波同相軸數(shù)目明顯增加或減少，波組間隔突然變化；③反射波同相軸形狀突變，反射凌亂或出現(xiàn)空白區(qū)；④發(fā)射波同相軸發(fā)生分叉、合并及扭曲；⑤來自中、微風(fēng)化基巖頂面發(fā)射波組的雙程時間明顯增加，出現(xiàn)明顯的巖面凹槽或巖面陡坎，并伴隨出現(xiàn)繞射波與斷面波。圖4該工程TJ－WT1線中部地震反射時間剖面圖，在CDP點號1560～1 740段反射波同相軸形狀突變，發(fā)射凌亂，其左右兩側(cè)同相軸錯斷明顯，綜合地質(zhì)資料推斷為斷層破碎帶，破碎帶范圍如圖5中紅線所示，共揭示2條構(gòu)造帶，其他兩條線路未揭示。

圖5 斷層破碎帶反射時間剖面

4 結(jié)束語

綜上所述，每種物探技術(shù)都有其適用范圍，但也存在缺陷。對此，需要綜合海上物探對于海底地質(zhì)情況的勘察結(jié)果，相互補充，為港口航道建設(shè)的設(shè)計施工奠定基礎(chǔ)。

[1]張建清，陳敏，蔡加興，等.綜合物探檢測技術(shù)在烏東德水電站建設(shè)中的應(yīng)用[J].人民長江，2014（20）：59～63.

[2]宋克柱，楊俊峰，曹平，等.海洋物探地震數(shù)據(jù)采集與記錄系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2010，40（3）：884～888.

[3]胡林峰.ORCA綜合導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋物探中的應(yīng)用[J].中國科技縱橫，2015（14）：29.

P631

A

1004-7344（2016）17-0142-02

2016-6-3

蘭天霞（1985-），女，漢族，助理工程師，本科，主要從事港口航道設(shè)計方面工作。